Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

En Millimeter skala Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk Testing System for å måle mekaniske egenskaper for Marine svamp spiklene

Published: October 11, 2017 doi: 10.3791/56571
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1School of Engineering, Brown University

Summary

Vi presenterer en protokoll for å utføre tre-punkts bøying tester på sub-millimeter skala fibre med en spesialbygd mekanisk testing enheten. Enheten kan måle styrker fra 20 µN opptil 10 N og rommer derfor en rekke fiber størrelser.

Abstract

Mange laste bærer biologiske strukturer (LBBSs)-som fjær rachises og spiklene-små (< 1 mm), men ikke mikroskopiske. Måle Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk virkemåten til disse LBBSs er viktig for å forstå opprinnelsen til deres bemerkelsesverdige mekaniske funksjoner.

Vi beskriver en protokoll for utføre tre-punkts bøying tester med en spesialbygd mekanisk testing enheten som kan måle styrker varierer fra 10-5 til 101 N og forskyvninger alt fra 10-7 til 10-2 m. Den primære fordelen med denne mekaniske testing enheten er at makt og forskyvning kapasiteten kan enkelt justeres for ulike LBBSs. Enhetens operatørselskapene prinsippet er lik som en atomic force mikroskop. Nemlig, kraft til LBBS av Last punkt som er knyttet til slutten av en cantilever. Last punkt forskyvning er målt ved en fiber optisk forskyvning sensor og omgjort til en kraft bruker målt cantilever stivhet. Enhetens force utvalg kan justeres ved hjelp av utkragning av forskjellige stiffnesses.

Funksjonene i enheten er demonstrert av utføre tre-punkts bøying tester på skjelettlidelser elementer av marine svampen Euplectella aspergillum. Skjelettlidelser elementene, kjent som spiklene-er silica fiber som er ca 50 µm i diameter. Vi beskriver prosedyrene for kalibrering mekanisk tester enheten, montering av spiklene på en tre-punkts bøying feste med ≈1.3 mm span, og utfører en bøyd test. Kraften i spicule og dens nedbøyning der anvendt kraft måles.

Introduction

Ved å studere arkitekturer av bærende biologiske strukturer (LBBSs), som shell og bein, har ingeniørene utviklet nye komposittmaterialer som er både sterk og tøff 1. Det har vist at bemerkelsesverdig mekaniske egenskaper for LBBSs og deres bio-inspirert kolleger er knyttet til deres intrikate interne arkitekturer 2. Men er relasjonene mellom LBBS arkitekturer og mekaniske egenskaper ikke fullt ut forstått. Måle en LBBS mekanisk svar er første skritt mot å forstå hvordan arkitekturen forbedrer sine mekaniske egenskaper.

Det er imidlertid viktig at testen brukes til å måle en LBBS mekanisk svar er konsistent med en mekanisk funksjon. For eksempel siden fjær må støtte aerodynamisk belastning, er den primære funksjonen av en fjær rachis å gi Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk stivhet 3. Derfor er en bøying test foretrukket å en uniaxial spenning test for å måle dens mekaniske svar. Faktisk, mange LBBSs, for eksempel fjær rachises 3gress stammer 4og spiklene 5,6,7,8-hovedsakelig deformere ved å bøye. Dette er fordi disse LBBSs er slank,dvssin lengde er større enn sin bredde eller dybde. Imidlertid utføre bøying tester på disse LBBSs er utfordrende fordi de styrker og forskyvninger som de kan tåle før varierer fra 10-2 til 102 N og 10-4 til 10-3 m, henholdsvis 3 , 4 , 5 , 7 , 8. derfor enheten brukes til å utføre testene mekanisk skal ha makt og forskyvning løsninger for ≈10-5 N- og ≈10-7 m (dvs. 0,1% av sensoren maksimal measureable kraft og forskyvning), henholdsvis.

Kommersielt tilgjengelige, store skala, mekaniske testing systemer vanligvis kan ikke måle styrker og forskyvninger med denne oppløsningen. Mens atomic force mikroskop-basert 9,10 eller MEMS systemer basert 11 testing enheter har tilstrekkelig oppløsning, maksimal kraft (respektive forskyvning) de kan måle er mindre enn den maksimal kraft (respektive forskyvning) som LBBS tåler. Derfor, for å utføre bøying tester på disse LBBSs, ingeniører og forskere må stole på spesialbygde mekanisk testing enheter 5,7,12,13. Den primære fordelen med disse spesialbygde enhetene er at de kan ta imot store områder av styrker og forskyvninger. Men er bygging og drift av disse enhetene ikke godt dokumentert i litteraturen.

En protokoll som er beskrevet for utføre tre-punkts bøying tester med en spesialbygd mekanisk testing enheten som kan måle styrker varierer fra 10-5 til 101 N og forskyvninger alt fra 10-7 til 10-2 m. Tekniske tegninger, inkludert alle dimensjoner, av komponentene i mekanisk testing enheten leveres i supplerende materiale. Den primære fordelen med denne mekaniske testing enheten er at makt og forskyvning områdene kan enkelt justeres for å passe ulike LBBSs. Enhetens operatørselskapene prinsippet er lik som en atomic force mikroskop 9. Denne enheten, en prøve er plassert over en grøft i en rustfritt stål plate (se figur 1Vekselstrøm). At grøften måles fra optisk micrographs skal 1278 ± 3 µm (gjennomsnittlig ± standardavvik, n = 10). Grøft kantene støtter prøven under en bøying test (se figur 1 cog D). Eksempel fasen er knyttet til en tre-akse oversettelse scene, og plassert under en aluminium kile slik at kilen ligger over grøftens span (se figur 1C). Ved å flytte scenen i den Equation 1 retning (se figur 1Aog C), prøven er presset inn kile forårsaker prøven å bøye.

Vi viser til kile som Last punkt spissen (LPT) og komponenten av enheten som inneholder kilen som belastning (LP). LP er knyttet til slutten av en cantilever Hvis Forskyvning er målt ved en fiber optisk forskyvning sensor (FODS). FODS avgir infrarødt lys, noe som gjenspeiles av et speil plassert på overflaten av LP (se figur 1B) og en optisk fiber i FODS. En ≈5 mm kvadrat en polert silisium wafer brukes som LP speil og er festet til LP med epoxy. FODS måler forskyvninger ved å sammenligne intensiteten av slippes ut og reflektert lys. Cantilever stivheten og forskyvning brukes til å beregne styrken, Equation 2 , oppleves av kile på grunn av dets interaksjon med prøven. Cantilever forskyvning brukes også til å beregne forskyvning av prøvens tverrsnitt under kile, Equation 3 . Fritt frambygg-baserte force sensorer har blitt brukt i en rekke mikro - og makro-skala mekanisk testing studier 10,11,12,13,14. Den konkrete utformingen presenteres her er tilpasset fra en mekanisk testing enheten brukes for å utføre selvklebende kontakt eksperimenter 14. En lignende design har også blitt brukt i en kommersielt tilgjengelig mikro-tribometer 15,16.

Figure 1
Figur 1: oversikt over spesialbygde mekanisk testing enheten. (A) A dataassistert design gjengivelse av enheten. Scenen komponentene er uthevet i grønt. Kraften sensing delsamling (cantilever, Last punkt (LP)) er uthevet i rødt. (B) en forstørret visning av (A). LP speilet er vist i blått på overflaten av LP under FODS og er merket LPM. (C) koordinatsystemet som brukes for å beskrive bevegelse oversettelse scenen. Ved å utjevne the scenen i trinn 1,9 av protokollen, den Equation 1 retning gjøres samtidig med vektoren normalt på overflaten av LP speilet. (D) en skjematisk av tre-punkts bøying konfigurasjonen viser deformasjon av spicule og de målte forskyvningene Equation 49 , og Equation 50 . Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Funksjonene i enheten er demonstrert av utføre tre-punkts bøying tester på skjelettlidelser elementer av marine svampen Euplectella aspergillum6,7. Denne svamp skjelettet er en samling av filamenter, kalt spiklene (se figur 2A). Spiklene er ≈50 µm tykk og består hovedsakelig av silisium 6. Biosilica-baserte spiklene finnes i svamper tilhører klassene Demospongiae, Homoscleromorpha og Hexactinellida. Svamper, som E. aspergillum, som tilhører klassen Hexactinellida er også kjent som "glass svamper." Mens spiklene glass svamper består hovedsakelig av silisium, har det vært vist at silica inneholder ofte en organisk matrise som består av enten kollagen 17,18 eller chitin 19,20 , 21. denne organisk matrise spiller en viktig rolle i silisium biomineralization 18,20. Videre i noen spiklene fungerer organisk matrisen også som en mal for biomineralization av kalsium 22. I tillegg til distribueres i silika, kan organisk matrise også danne forskjellige lag som partisjonerer den spicule silica i konsentriske, sylindriske lamellae 6,23. Det har vist at dette konsentriske, lamellær arkitektur kan påvirke spiklene deformasjon atferd 6,7,8,24,25,26 . Følgelig spiklene mekaniske egenskaper bestemmes av en kombinasjon av deres kjemi (dvs., den kjemiske strukturen av silika-protein sammensatt) og deres arkitektur 27. Både kjemiske struktur og arkitektur av glass svamp spiklene er fortsatt under etterforskning 24,28,29.

De fleste av spiklene i E. aspergillum er sementert sammen å danne en stiv skjelettlidelser bur. Men ved foten av skjelettet er det en dusk av veldig lenge (≈10 cm) spiklene kjent som anker spiklene (se figur 2A). Vi beskriver protokollen til å utføre tre-punkts bøying tester på små deler av anker-spiklene.

Fremgangsmåten for å samle og sette komponentene i spesialbygde mekanisk testing enheten er beskrevet i trinn 1 av protokollen. Trinn 2 og 4 av protokollen instruksjoner for genererer kalibrering data som brukes til å beregne styrker og forskyvninger i bøying test. Trinnene tatt for å forberede en del av en spicule og montere den testen lampen er beskrevet i trinn 3. Fremgangsmåten for å gjennomføre bøying testen på delen spicule er beskrevet i trinn 5. Til slutt, Representant resultatinndelingen kalibreringsdataene innhentet i trinn 2 og 4 brukes sammen med bøying test-data innhentet i trinn 5 til å beregne Equation 2 og Equation 3 .

Figure 2
Figur 2: Prosedyre for skjæring og inspisere E. aspergillum spiklene. (A) skjelettet av E. aspergillum. Dusk av frittstående anker spiklene vises ved foten av skjelettet. Skala baren er ~ 25 mm. (B) en enkelt anker spicule holdes på plass et mikroskop lysbildet med en #00000 rød sobel pensel og delt med et barberblad. Skala baren er ~ 12 mm. (C) en del av en E. aspergillum spicule plassert over grøften på utvalg scenen. Grøft kanter og grøft ridge er uthevet i teal og oransje, henholdsvis. Spicule skyves mot grøft ryggen å sikre at sin akse vinkelrett grøft kantene. (D) en mikroskop-bilde av en spicule som passerer inspeksjon fremgangsmåten i trinn 3.4 av protokollen, som beskriver hvordan du fastslår om en spicule er skadet og bør forkastes. (E) A mikroskop-bilde av en spicule som inneholder mange sprekker og mangler store deler av silisium lag som ville mislykkes inspeksjon fremgangsmåten i trinn 3.4 i protokollen. Skalere barer = 250 µm (C), 100 µm (D) og 100 µm (E). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. montering og justering

  1. Velg en cantilever stivhet som passer for tiltenkte eksperimentet. Fest LP hengende bruker #4-40 socket cap skruene (SHCSs) (se Figur 3 A). Ta vare å ikke plastisk stanget deformert cantilever armene mens feste LP.

Figure 3
Figur 3: prosedyre for montering hengende tvinge sensor og måle dens stivhet. (A) belastningen punkt (LP) er festet til hengende (C), Last punkt spissen (LPT) peker oppover. (B) hengende og LP delsamling er knyttet til cantilever platen, som CP. Innfelt lommen cantilever platen vises under cantilever armene. (C) cantilever platen er festet til undersiden av rammen slik at siden av tallerkenen vises i (B) står overfor i Equation 6 retning. FODS mikrometer er merket som FM. (D) wire kroken og kalibrering vekter brukt i trinn 2 av protokollen vises hengende fra hullet i LPT. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. noen dråper 2-propanol gjelder lo gratis bomullspinne og rengjør overflaten av LP speilet. Inspisere speilet for riper og erstatte speilet hvis den er skadet.
  2. Legge løst hengende til cantilever plate med #6-32 SHCSs på siden av platen som inneholder den innfelte lommen med LPT peker fra platen (se Figur 3 B). Sett 1/8 " innstillingsnålene gjennom cantilever og plate, stramme skruene, og fjern deretter justering pinnene.
  3. Trekke FODS som mulig ved å slå den FODS mikrometer mot urviseren (se Figur 3 C). Løst knytte cantilever platen til rammen med #6-32 SHCSs med LPT peker i den Equation 4 retning (se figur 1 A). Sett 1/8 " innstillingsnålene gjennom rammen og cantilever platen, stramme skruene, og fjern deretter justering pinnene (se Figur 3 C).
  4. Slå på makt levere og satt spenningen til 12.00 V i konstant spenning modus bruker posis. Deretter slår på spenning utgang og Bekreft at dagens trekning vises på strømforsyningen ' s LCD skjermen er omtrent 60-70 mA. Vent minst en time på dagens trekning til steady state for å redusere spenningen måling usikkerhet.
  5. Åpne og kjøre i programmet Basic_Data (se utfyllende filer). Slå FODS mikrometer (se Figur 3 C og Figur 4 A) med klokken for å FODS mot LP speil til utgangsspenning vises på bruker grenseflate grafen når en maksimumsverdi.
    1. Juster gevinst på FODS ved å vri skruer på siden av FODS huset slik at spenningen output er 5.0 V. slå FODS mikrometer klokken å trekke i FODS.
  6. Slå på mikroskopet illuminator og Juster mikroskop posisjon og fokusere med de to manuelle oversettelse etappene, slik at LPT er sentrert i synsfeltet. Stoppe programmet Basic_Data ved å klikke på ' stopper ' knappen.
  7. Åpne motor kontrolleren brukergrensesnittet programvaren. Bruk glidebryteren potensiometer på den Equation 5 -aksen motor kontroller flytte scenen til maksimalt tillatte reisemål i det < img-alt = "Ligningen 6" src = "filer/ftp_ upload/56571/56571eq6.jpg"/ > retning og sett utgangsstillingen ved å klikke på ' hjem ' knappen i brukergrensesnittet.
    1. Bruk potensiometeret glidebryteren på den Equation 7-aksen motor kontroller flytte scenen til maksimalt tillatte reisemål i den Equation 8 retning og sett utgangsstillingen. Lukker brukergrensesnittet programvaren.
  8. Sete scenen på scenen bunnplate (se Figur 4 A) slik at tips av mikrometer hodene på utjevningen plate resten i scenen bunnplate divots. Plasser en boble nivå på tabellen isolasjon og justere trykket i hvert av tabellen ' s beina ved å slå ventilen arm tommeskruer slik at overflaten er.
    1. Flytte boblen nivået til toppen av scenen utjevning plate og justere mikrometer slik at det er også nivå. Merk stillingene mikrometer og fjerne scenen fra scenen bunnplate. Merk: Protokollen kan pauses her.

Figure 4
Figur 4: mekanisk testing enheten som samlet i trinn 1,9 og 3.7 protokollen. (A) eksempel scenen (SS), knyttes til oversettelse scenen (TS), og er jevnet bruke mikrometer på scenen utjevning plate (SLP), som sitter på scenen bunnplate (SBP). Scenen bunnplate er knyttet til den optiske brødfjel i tabellen isolasjon. Hengende (C); cantilever plate (CP); og fiber optisk forskyvning sensor (FODS) komponere styrken sensing systemet. (B) belastningen punkt (LP) er festet til hengende og Last punkt spissen (LPT) er plassert over spicule på utvalg scenen. Under en bøying test måles forskyvning av LP i FODS. Første avstanden mellom FODS og LP speilet styres av FODS mikrometer (FM) vises i (A). (C) en mikroskop-bilde av spicule ligge over grøften i utvalg scenen, plassert under LPT. Skala bar = 250 µm (C). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

2. cantilever stivhet måling

  1. kjøre Basic_Data programmet og slå den FODS mikrometer solen til utgangsspenning er ca 4 V. stopp programmet ved å klikke på ' stopper ' knappen.
  2. Måle masse wire krok og kalibrering vekter med en analytical balanse.
  3. Åpne programmet Cantilever_Calibration (se utfyllende filer) og angi ønsket navnet for styrken calibration utdatafil i tekstboksen i brukergrensesnittet.
  4. Kjøre programmet Cantilever_Calibration og klikk ' OK ' da bedt om å angi masse første kalibrering vekten. Venter utgangsspenning vises i diagrammet bruker grenseflate å stoppe oscillerende og klikk grønne ' spenning stabilisert ' for å ta en spenning måling.
  5. Bruk pinsetter å henge ledningen koble fra hullet i LPT slik at kroken er vendt fra mikroskop målet (se Figur 3 D). Bruke pinsett for fuktig vibrasjon hengende forårsaket av tillegg av kroken.
    1. Angi massen av kroken i gram i dialogboksen og klikk ' OK '. Som i forrige trinn, venter utgangsspenning stoppe oscillerende før du klikker på ' spenning stabilisert ' knappen.
  6. Bruk pinsetter å henge den første vekten på ledningen krok og gjenta prosessen med å ta en spenning måling som beskrevet i forrige trinn. Gjenta dette trinnet til alle kalibrering vekter har blitt hengt eller utgangsspenning er mindre enn 1,8 V. På dette punktet, klikk ' avbryte ' i dialogboksen for å avslutte programmet Cantilever_Calibration.
  7. Slå FODS mikrometer klokken å trekke i FODS. Fjern forsiktig kroken og vekter fra LPT.
    Merk: Force kalibrering utdatafilen er en tabulatordelt over kraften som kalibrering massene, gjennomsnittet av 100 FODS utgang spenning opplesninger og standardavviket for disse målingene. Representant resultatinndelingen beskriver hvordan datafilen behandles for å måle cantilever stivhet.

3. Prøven forberedelse

  1. slitasje nitril hansker når du håndterer E. aspergillum svamp skjeletter og lagre skjeletter i lukkede beholdere når de ikke blir håndtert.
    Advarsel: Siden spiklene består hovedsakelig av silisium, ødelagte spicule fragmenter er skarp og kan bygges inn i huden, som fører til irritasjon.
  2. Bruker et par pinsett for å forstå ett anker spicule av klubbeformede enden og trekk å fjerne det fra skjelettet (se figur 2 A). Legg til spicule på en ren microscope skyve.
  3. Holde spicule mot lysbildet nær midtpunktet langs med en #00000 rød sobel pensel. Kuttet en ≈ 4 mm delen av spicule ved å skyve et barberblad mot spicule på hver side av børsten vinkelrett på lysbildet overflaten (se figur 2 B). Forkaste delene store distale og proksimale spicule og holde den ≈ 4 mm delen.
  4. Kontrollere 4 mm spicule delen bruker polarisert lys mikroskop på 10 x forstørrelse (se figur 2 C-E). Forkast delen spicule og gå tilbake til trinn 3.2 hvis det mangler store regioner av silisium lag (se figur 2 E). Håndtere inspisert spicule deler utelukkende bruker #00000 rød sobel penselen for å unngå introdusere nye skade deres silisium lag.
  5. Rengjør alle spicule fragmenter eller andre partikler fra overflaten av prøven scenen med en pensel eller trykkluft. Deretter bruke noen dråper 2-propanol lo gratis bomullspinne og tørk utvalg scenen. Unngå kontakt med områdene scenen belagt med ikke-reflekterende maling. Merk: Maling brukes til å redusere antall speilende refleksjoner i bilder tatt under den bøying test
  6. Overføre delen spicule til utvalg scenen. Plasser delen spicule over grøften med ønsket span for bøying test og skyv det i Equation 10 retning mot grøft ryggen. Kontroller at spicule er vinkelrett grøft kantene (se figur 2 C).
  7. Sete scenen på scenen bunnplate slik at tips av mikrometer spindler hvile i scenen bunnplate divots. Hvis nødvendig, Juster mikrometer på scenen utjevning plate verdiene noterte i trinn 1,9 protokollen.

4. Spenning-forskyvning interpolering fil

  1. åpne programmet Bending_Test (se utfyllende filer). Angi de ' trinn størrelse ' til 2 µm, ' maksimal forskyvning ' til 0,5 mm, ' lav spenning stopp ' til 1,5 V, og ' høyspenning stopp ' til 4.6 V bruker tekstbokser som vises i brukergrensesnittet.
    1. Velg ønsket bilde og data kataloger og utdatafilen navn tekst avmerkingsboksene i brukergrensesnittet. Angi de ' lagre bilder ' bytte i brukergrensesnittet til nedre posisjon og klikk den grønne rektangulære knappen under ordene ' spenning forskjell ' slik at det blir opplyst.
  2. Kjøre programmet Bending_Test og vente på motor kontrolleren og kameraet grensesnittene initialisere.
  3. Aktivere illuminator og justere lysstyrken slik at LPT er synlig. Slå FODS mikrometer klokken til utgangsspenning vises i diagrammet brukergrensesnittet er ~1.7 V.
    1. Bruk potensiometeret glidebryteren på den Equation 5-aksen motor kontroller flytte scenen i den Equation 1 retning til Det er ~ 1 cm under LPT og sett den Equation 5-hjem Akseplassering ved å klikke på " hjem " knappen.
  4. Bruk skyvekontrollene potensiometer på den Equation 7- og Equation 11-aksen motor kontrollere plassere LPT over midten av den tynne stål stripen på utvalg scenen i den Equation 12 retning fra grøften. Bruk glidebryteren potensiometer på den Equation 5-aksen motor kontroller flytte scenen i den Equation 1 retning til scenen i mikroskopet ' s synsfelt.
  5. Bruke glidebryteren potensiometer på den Equation 5-aksen motor kontroller flytte scenen i det Equation 1 retning, mens se produksjon spenning grafen i brukergrensesnittet. Fastslå den omtrentlige posisjonen som LPT kontakter scenen ' overflate etter en endring i spenning med ytterligere bevegelser av scenen. Trekke scenen ca 10 µm.
  6. Klikk på knappen merket " Begin Test ". Når du blir spurt, skriver du inn verdiene 0.003 V og 0,001 mm for ' touch følsomheten ' og ' berøres av steg størrelse ' henholdsvis. Vente for at testen skal fullføre.
    Merk: Etter dette tidspunktet, Fjern ikke scenen fra scenen bunnplate til bøying testen er fullført for å sikre nøyaktig forskyvning målinger. Spenning-forskyvning interpolering utdatafilen er en tabulatordelt liste over gjennomsnittet av 100 FODS utgang spenning opplesninger og standardavviket for disse målingene sammen med den Equation 5- Akseplassering scenen på hver scene forskyvning økning. Representant resultatinndelingen beskriver hvordan datafilen brukes til å konvertere målt FODS utgang spenninger til LP forskyvninger.

5. Bøye Test

  1. åpne og kjøre Basic_Data programmet og slå FODS mikrometer klokken til utgangsspenning vises på bruker grenseflate grafen er ca 3 V. Bruk glidebryteren potensiometer på den < img alt = "Ligningen 7" src="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg" / > -aksen motor kontroller plassere LPT mellom grøft kantene over spicule (se Figur 4 C).
    1. Bruk potensiometeret glidebryteren på den Equation 5-aksen motor kontroller flytte scenen i den Equation 1 retning til LPT er under overflaten av grøft ryggen (se figur 5 et). Til slutt bruker glidebryteren potensiometer på den Equation 11-aksen motor kontroller å bringe overflaten av grøft ryggen i fokus slik at hele bredden på LP er mellom kantene på den grøft ridge. Stoppe programmet Basic_Data ved å klikke på ' stopper ' knappen.
  2. Åpne og Kjør Center_LoadPoint (se utfyllende koden arkiv). Bruk av Equation 7-aksen motor kontroller flytte scenen før LPT er nesten i kontakt med riktig grøft kanten. Klikk den " finne kanten " knappen.
  3. Når du blir spurt, bruker den Equation 7-aksen motor kontroller flytte scenen før LPT er nesten i kontakt med venstre grøft kanten. Klikk den " finne kanten " knappen. Venter programmet plassere LPT halvveis over at grøft (se figur 5 B).
    Merk: Etter dette punktet er det viktig ikke å justere de Equation 7-aksen motor kontroller som dette vil resultere i en feiljustering av LPT.
  4. Åpne programmet Bending_Test. Angi trinn 2 µm, maksimal forskyvning 0,5 mm, lav spenning stopper 1,5 V og høy spenning stopper 4,5 V bruker tekstboksene i brukergrensesnittet.
    1. Velg ønsket bilde og data kataloger og utdatafilen navn tekst avmerkingsboksene i brukergrensesnittet. Angi de ' lagre bilder ' bytte i brukergrensesnittet til den aktuelle stillingen og klikk den grønne rektangulære knappen under ord ' spenning forskjell ' slik at det ikke lyser.
  5. Kjøre programmet Bending_Test og vente på motor kontrolleren og kameraet grensesnittene initialisere.
  6. Flytte scenen i den Equation 1 retning bruker glidebryteren potensiometer på motor kontrolleren til spicule er i mikroskopet ' s synsfelt. Bruk glidebryteren potensiometer på den Equation 11 -aksen motor kontroller flytte scenen til spicule er under LPT.
    1. Justere mikroskop fokus knotter slik at spicule er i fokus i brukeren grensesnitt (se Figur 4 C). Slå FODS mikrometer klokken til utgangsspenning er ca 1,8 V.
  7. Bruke glidebryteren potensiometer på z motor kontrolleren flytte scenen i den Equation 1 retning mens utgang spenning grafen i brukergrensesnittet. Bestemme omtrentlig plasseringen der LPT kontakter i spicule etter en endring i spenning med ytterligere bevegelser av scenen. Trekke scenen omtrent 50 µm.
  8. Klikk " Start Test " og vente til bøying testen er fullført og scenen tilbake til den Equation 5-aksen utgangsstillingen.
    Merk: Scenen vil flytte 2 µm gangen (som er foreskrevet i trinn 5.4 protokollen) det Equation 1 retning, bøying av spicule (se Figur 5 C) til en av flere stoppe betingelsene er oppfylt. Stoppe forholdene er: en) maksimal scenen forskyvning av 0,5 mm er nådd. b) spicule pauser og programmet oppdager en stor nedgang i FODS utgangsspenning; eller c) høy spenning grensen på 4,5 V er nådd. For å stoppe tilstand (a), blir brukeren bedt hvis de ønsker å avslutte test eller overstyre den forrige verdien. Når ' overstyre ' er valgt, brukeren vil ha muligheten til å øke grensen på scenen-forskyvning eller reversere retningen av scenen forskyvning trinnet for å fortsette å samle data som i spicule er fjernet. Scenen forskyvning tilvekst retning kan endres ved å klikke på " omvendt lasting " knappen når som helst under testen. Bøying test utdatafilen har samme struktur som spenning-forskyvning interpolering utdatafilen generert i trinn 4.6 i protokollen. Det er en tabulatordelt liste over gjennomsnittet av 100 FODS utgang spenning opplesninger og standardavviket for disse målingene sammen med den Equation 5-aksen scenen posisjon på hvert trinn Forskyvning increment. Representant resultatinndelingen beskriver hvordan datafilen brukes sammen med spenning-forskyvning interpolering filen for å beregne cantilever forskyvninger og scenen forskyvninger under bøying testen. Deretter cantilever stivhet brukes til å beregne kraften som LPT på spicule.
  9. Etter at testen er fullført, slår FODS mikrometer mot urviseren til FODS er minst 5 mm fra LPT speilet. Deretter forsiktig fjerne scenen fra scenen bunnplate.

Figure 5
figur 5: prosedyren for å justere LPT med grøften ' s midt span og utføre en bøying test (A) The LPT er plassert under overflaten av grøft ryggen på slutten av trinn 5.1 av protokollen, men det er ennå ikke plassert i midten av span. (B) plasseringen av LPT etter midtstillingen fremgangsmåten som er beskrevet i trinnene 5.2 og 5.3 protokollen er fullført. (C) en mikroskop-bilde av en spicule tatt under bøying testen. Forskyvning av spicule tverrsnitt under LPT, Equation 14, merkes skjematisk. Skalere barer = 250 µm (A-C). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den mest grunnleggende produksjonen av noen mekaniske test er omfanget av kraften til prøven og forskyvning på lokasjonen der i kraft. En tre-punkts bøying test, målet er å få omfanget av kraften fra LPT, Equation 13 , og forflytningen av prøvens tverrsnitt under LPT i den Equation 4 retning, Equation 14 . Men for mekanisk, testing enheten som beskrevet her, flere etterbehandling trinnene må utføres for å transformere utdataene fra trinn 2, 4 og 5 av protokollen til dette ønsket Equation 13 - Equation 14 data. Datafilene fra tre-punkts bøying testen er: 1) spenning-forskyvning interpolering filen; 2) force-kalibrering filen; og 3) bøying testfilen. Et sammendrag av målt og avledede antallene er vist i tabell 1.

Symbolet Definisjon
N-h Spenninger verdier i spenning-forskyvning interpolering utdatafilen
V-h Målte spenningen verdier i trinn 4 i protokollen
ΣVh Standardavviket for V-h
zsh Målt scenen posisjon i trinn 4 av protokollen
Nc Antall force mål i kraft kalibrering utdatafilen
Fc Kraften fra kalibrering vekter i trinn 2 av protokollen
Vc Målte spenningen verdier i trinn 2 i protokollen
ΣVc Standardavviket for Vc
zlc Plasseringen av LP i trinn 2 av protokollen ved hjelp Vh og Vc
wlc Forskyvning av LP i trinn 2 av protokollen beregnet fra zlc
Nt Antall kraft og forskyvning målinger i bøying test utdatafilen
zst Plasseringen av scenen i trinn 5 i protokollen
wm Forskyvning av scenen i trinn 5 i protokollen
Vt Målte spenningen verdier i trinn 5 i protokollen
ΣVt Standardavviket for Vt
zlt Plasseringen av LP i trinn 5 av protokollen ved hjelp Vh og Vt
wlt Forskyvning av LP i trinn 5 av protokollen beregnet fra zlt
F Kraften fra LP i trinn 5 av protokollen beregnet fra zlt
w0 Forskyvning av spicule's tverrsnitt under LP i trinn 5 i protokollen

Tabell 1: Sammendrag av symbolene for antall målt i trinn 2, 4 og 5 av protokollen og beregnet i delen representant resultater.

Formålet med filen spenning-forskyvning interpolering gjelder målt FODS utgang spenninger for LPT forskyvninger. Dette gjøres ved å koble LPT strengt til oversettelse scenen så som scenen er flyttet den Equation 1 retning, endringen i den Equation 5 -scenen Akseplassering tilsvarer LPT forskyvning (trinn 4 av protokollen). Spenning-forskyvning interpolering filen inneholder et sett med punkter Equation 15 , der Equation 16 er gjennomsnittlige FODS utgangsspenning tatt over 100 målinger på en samplingsfrekvens på 1000 Hz, Equation 17 er tilknyttet standardavvik av 100 spenning målinger, Equation 18 er den Equation 5 -aksen scenen posisjon og Equation 19 er antall scenen forskyvning trinn (se figur 6 (B)).

Force kalibrering filen lar cantilever stivhet skal måles slik at LP forskyvninger kan brukes til å beregne omfanget av kraften fra LP. Force kalibrering filen inneholder et sett med punkter Equation 20 , der Equation 21 er gjennomsnittlige FODS utgangsspenning tatt over 100 målinger på en samplingsfrekvens på 1000 Hz, Equation 22 er tilknyttet standardavvik av 100 spenning målinger, Equation 23 er i kraft av vekter på LPT, og Equation 24 er antall kalibrering vekter brukes. Legg merke til at det er to flere poeng enn det er kalibrering vekter fordi det første punktet måles for null tilførte kraft og det andre punktet for styrken utøves av wire kroken alene.

Til slutt, bøying testfilen brukes til å beregne Equation 14 og Equation 13 . Den inneholder et sett med punkter Equation 25 , der Equation 26 er gjennomsnittlige FODS utgangsspenning tatt over 100 målinger på en samplingsfrekvens på 1000 Hz, Equation 27 er tilknyttet standardavvik av 100 spenning målinger, Equation 28 er den Equation 5 -scenen Akseplassering og Equation 29 er number scenen forskyvning trinnene under bøying testen.

Først, det Equation 5 komponent LPTS posisjon under force kalibreringen, Equation 30 , blir funnet settet Equation 31 tilordne Equation 21 verdier Equation 32 verdier via Lineær interpolering. Den Equation 5 del av LPT forskyvning er gitt av Equation 33 , Equation 34 . Siden LPT forskyvningene er liten sammenlignet med lengden på hengende, forholdet mellom Equation 23 og Equation 35 synes å være lineær. Derfor cantilever stivhet kan beregnes ved å tilpasse en linje til den Equation 36 data og databehandling skråningen, Equation 37 . En representant sett med punkter Equation 36 og den tilsvarende montert linjen vises i figur 6en. Stivhet hengende brukes i bøying forsøkene var 90.6 ± 0,3 N/m.

Figure 6
Figur 6: representant resultatene av tre-punkts bøying test (A) Force og forskyvning innhentet (grå) i trinn 2 av protokollen sammen med lineær passer (blå) brukes til å estimere stivhet hengende. (B) representativt eksempel på dataene i spenning-forskyvning interpolering utdatafilen. For en målt FODS utgangsspenning, Equation 51 , plasseringen av scenen, Equation 52 , kan fås via Lineær interpolering. Dette brukes til å måle cantilever forskyvning, Equation 50 , under bøying test. (C) representant kraft-forskyvning svar av 3 forskjellige E. aspergillum feste spiklene fra vellykkede trepunkts bøying tester. (D) en kraft-forskyvning svar fra en mislykket trepunkts bøying test. Nonlinearity av kurven antyder at spicule var ikke riktig sitter på utvalg scenen og gled eller reorientert etter første kontakt ble gjort med LPT. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Neste, den Equation 5 komponent LPTS posisjon under bøying test, Equation 38 , blir funnet settet Equation 31 tilordne Equation 26 verdier Equation 39 verdier via Lineær interpolering. Den Equation 5 komponent LPT forskyvningsverdien under bøying testen er gitt av Equation 40 , Equation 41 . Den Equation 5 del av scenen forskyvning under bøying testen er gitt av Equation 42 .

Siden LPT og spicule er i kontakt under hele bøying testen spicule forskyvning, Equation 43 er gitt av

Equation 44(1)

og kraften av LPT, Equation 45 , er

Equation 46(2)

Det er viktig å merke seg at siden de Equation 31 brukes til å få både Equation 32 og Equation 39 verdier via interpolering, verdiene i den Equation 47 og Equation 26 må være innenfor rekkevidde av Equation 16 . Dette er sikret ved å angi riktige verdier for start spenning og høy spenning stopp verdier i trinn 2, 4 og 5 i protokollen.

Figur 6 Viser kraft-forskyvning kurver for tre representant spiklene. For slanke, lineære elastiske strukturer i tre-punkts bøying, Equation 13 forventes å øke lineært med Equation 14 for små verdier av Equation 14 30. Nonlinearity av den Equation 13 - Equation 14 kurve for små Equation 14 (f.eks, se figur 6D) vanligvis antyder at spicule ikke kan være sitter riktig på utvalg scenen. I dette tilfellet testen bør stoppes og spicule plasseres på utvalg scenen (trinn 3.6 protokollen).

For å sikre tilstrekkelig nøyaktighet av den Equation 13 og Equation 14 målinger, sammenlagt spenning endringen i løpet av bøying test, Equation 48 , bør være minst 1 V. Hvis sammenlagt spenning endringen er mindre enn 1 V, skal en mer kompatibel cantilever semerkede.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Flere trinn av protokollen er spesielt viktig for å sikre at styrkene og forskyvninger er nøyaktig målt. Mens noen av disse kritiske trinnene er universelle til alle tre-punkts bøying tester, er andre unik for denne mekaniske testing enheten.

Trinn 1.2 av protokollen LP speilet er rengjort og kontrollert riper og trinn 1.6 av protokollen er FODS gevinst satt. Det er viktig for gevinst og LP speil refleksjon å være konstant for trinn 2, 4og 5 i protokollen. Derfor skal to kalibrering trinnene (trinn 2 og 4 av protokollen) utføres umiddelbart før bøying testen (trinn 5 av protokollen).

I trinnene 1,9 og 3.7 protokollen er scenen jevnet med hensyn til overflaten av tabellen isolasjon. Disse trinnene sikrer at Equation 2 er komponenten av makt vinkelrett til spicule langsgående aksen. Rammen av mekanisk testing enheten produseres slik at den cantilever, LP speil og overflaten av FODS er alle parallell til overflaten av tabellen isolasjon. Dette betyr at kraft-sensor måler komponenten og forskyvning normal til isolasjon tabellen overflaten. Hvis toppen av scenen er feiljustert en vinkel Equation 53 med hensyn til overflaten av tabellen isolasjon, deretter målt forskyvning av LPT vil være Equation 55 , hvor Equation 54 er faktisk forskyvning i retning vinkelrett på spicule's langsgående aksen (se figur 7). Siden Equation 56 , dette resulterer i en over prediksjon av anvendt styrker og under prediksjon av spicule forskyvninger per ligninger (1) og (2).

Figure 7
Figur 7: effekten av scenen utjevning på forskyvning målinger. (A) scenen er vippet i en vinkel, Equation 53 , med hensyn til overflaten av tabellen isolasjon og at undersiden hengende. (B) forskyvning av LP i vertikal retning, Equation 50 (se figur 1 (D)), måles i FODS. Komponenten LP forskyvningsverdien i retning vinkelrett på det spicule aksen Equation 54 . Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

I trinnene 5.1- plassert5.3 protokollen LPT er midt vei over grøftens span. Feiljustering av LPT med hensyn til at midt fører prøven vises stivere enn det egentlig er 31,32. Dvs blir den spicule forskyvning mindre enn det som skulle måles Hvis samme kraft ble brukt på midten av spredningen. Denne typen avvik kan unngås ved å ikke fjerne scenen fra scenen bunnplate eller justere x-akse scenen posisjon etter sentrering prosedyren er fullført (trinn 5.1-5.3 protokollen).

En begrensning av denne metoden er at for å redusere usikkerheten relative måling av kraft og forskyvning målinger, cantilever stivhet bør velges slik at FODS utgang spenninger dekker hele spekteret av 1.8 til 4,5 V under bøying test. Men tilsvarer denne spenningsområde en cantilever forskyvning av ca ≈250 µm, som er omtrent det samme som spicule forskyvning like før den svikter (se figur 6 (C)). Dette betyr at hengende og spicule har lignende stiffnesses. Dette er ikke problematisk for å måle elastisk svar og styrke egenskapene til spiklene, utelukker det nøyaktig måling av spiklene charpyverdier. Dette skyldes at for å sikre nøyaktig måling av charpyverdier, en sprekk i spicule må overføre en kontrollert måte 33. Dette er vanligvis bare mulig hvis testing enheten er mye stivere enn prøven 33. For å øke stivheten i den teste enheten, kan en mer følsomme forskyvning sensor brukes i stedet for FODS.

Mens bøying testprotokollen er vist på E. aspergillum spiklene, kan mekaniske testing enheten brukes til å utføre tre-punkts bøying tester på LBBSs og syntetiske materialer også. Denne mekaniske testing enheten er mest hensiktsmessig for prøver som cross-sectional diameter varierer fra 0.01 1 mm og grøft spenner over alt fra 1 til 10 mm. For større diameter, bør prøve scenen bli redesignet slik at prøven ikke kan rulle over scenen. Dette er ikke et problem for mindre fiber, som spiklene, fordi grovheten på scenens overflaten er nok til å hindre at prøven rullende. Radier grøft kanter og LPT bør også gjøres større for å unngå å innføre lokale skader på punkter hvor prøven er støttet 31,32. Videre scenen utjevning platen skal festes til scenen base platen (se Figur 4A) bruke ¼"-20 socket cap skruer etter trinn 3.7 protokollen for å hindre scenen vippe hvis styrker overskrider ≈1 N.

For nøyaktig kraft og forskyvning måling, bør hengendes stivhet alltid være mye mindre enn rammen stivhet (≈107 N/m). Dette kravet begrenser den maksimale kraften som kan brukes av denne enheten ≈25 N. Derfor er det viktig å estimere maksimal kraft en prøve kan tåle før du utfører en bøying test for å fastslå om denne enheten kan brukes til å utføre testen.

Dette arbeidet gir protokollen, tekniske tegninger (se supplerende fil 1) og programvare (se utfyllende filer) for avspilling og bruke våre mekaniske testing enheten. Dette vil forhåpentligvis gi en plattform for nøyaktig måling Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk virkemåten til mange forskjellige LBBSs. Disse målingene er en forutsetning for å utvikle en dypere forståelse forholdet mellom en LBBS arkitektur og mekaniske egenskaper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av National Science Foundation [mekanikk av materialer og strukturer programmet, gi nummer 1562656]; og American Society til mekaniske ingeniører [Haythornthwaite ung forsker pris].

Materials

Name Company Catalog Number Comments
TMC 36" x 48" isolation table with 4" CleanTop breadboard TMC 63-563 Isolation Table
Diffeential Screw Adjuster Thorlabs DAS110 For stage leveling plate
1" Travel Micrometer Head with 0.001" Graduations Thorlabs 150-801ME For stage leveling plate
Right-Angle Bracket for PT Series Translation Stages, 1/4"-20 Mounting Holes Thorlabs PT102 For microscope mount
1" Dovetail Translation Stage, 1/4"-20 Taps Thorlabs DT25 For microscope mount
1" Translation Stage with 1/4"-170 Adjustment Screw, 1/4"-20 Taps Thorlabs PT1B For microscope mount
12" Length, Dovetail Optical Rail Edmund Optics 54-401 For microscope mount
2.5" Width, Dovetail Carrier Edmund Optics 54-404 For microscope mount
0.5" Width, Dovetail Carrier Edmund Optics 54-403 For microscope mount
InfiniTube Mounting C-Clamp with ¼-20 Edmund Optics 57-788 Microscope component
Standard (with no In-Line Attachment), InfiniTube Edmund Optics 56-125 Microscope component
Standard In-Line Attachment (Optimized at 2X-10X), InfiniTube Edmund Optics 56-126 Microscope component
Mitutoyo/Achrovid Objective Adapter (M26 to M27) Edmund Optics 53-787 Microscope component
5X Infinity Achrovid Microscope Objective Edmund Optics 55-790 Microscope component
0.316" ID, Fiber Optic Adapter SX-6 Edmund Optics 38-944 Microscope component
¼" x 36", Flexible Fiber Optic Light Guide Edmund Optics 42-347 Microscope component
115V, MI-150 Fiber Optic Illuminator w/IR Filter and Holder Edmund Optics 55-718 Microscope component
Allied Vision Manta G-223 2/3" Color CMOS Camera Edmund Optics 88-452 Microscope component
Power Supply for Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ Pike Edmund Optics 68-586 Microscope component
1/4" Travel Single Axis Translation Stage Thorlabs MS1S FODS micrometer
Analog Reflectance Dependent Fiber Optic Displacement Sensor Philtec D20 FODS
30V, 3A DC Power Supply Agilent U8001A Power supply for DAQ and FODS
14-Bit, 48 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ National Instruments USB-6009 DAQ for FODS
Three Axis Motorized Translation Stage Thorlabs Thorlabs T25 XYZ-E/M Translation stage
T-Cube DC Servo Motor Controller Thorlabs TDC001 Motor controller for stage
T-Cube Power Supply Thorlabs TPS001 Power supply for motor controller
National Instruments LabVIEW (2013 SP1) National Instruments Used for running software
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016) National Instruments Used for running software
Nikon Eclipse Ci-POL Main Body MVI MDA96000 Polarized light microscope
Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer Slider MVI MDB45305 Polarized light microscope
Nikon Dia-Polarizer MVI MDN11920 Polarized light microscope
Power Cord - 7'6" MVI 79035 Polarized light microscope
Nikon P-Amh Mechanical Stage MVI MDC45000 Polarized light microscope
Nikon Lwd Achromat Condenser MVI MBL16100 Polarized light microscope
Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESD MVI MBP60125 Polarized light microscope
Nikon C-TF Trinocular Tube F MVI MBB93100 Polarized light microscope
Nikon CFI 10X Eyepiece FN 22mm NC MVI MAK10110 Polarized light microscope
Nikon TU Plan Flour BD 10x Objective MVI MUE42100 Polarized light microscope
Venus Flower Basket Sponge Denis Brand N/A Sponge skeleton
3.5X Headband Flip-Up Magnifier McMaster Carr 1490T5 Used for spicule sectioning
Ø1" Silicon Wafer, Type P / <100> Ted Pella 16011 Used for load point mirror
Low Lint Tapered Tip Cotton Swab McMaster Carr 71035T31 Used for cleaning LP mirror
Rubber grip precision knife McMaster Carr 35575A68 Used for sectioning spicules
Microscope Slides, frosted end, 75 x 25 x 1mm Ted Pella 260409 Used for sectioning spicules
Sable Brushes, #00000, 0.08mm W x 4.0mm L Ted Pella 11806 Used for handling spicules
PELCO Pro High Precision Tweezers, extra fine tips, superior finish Ted Pella 5367-5NM Used for handling spicules
Dual Axis Linear Scale Micrometer Edmund Optics 58-608 Used for calibrating the microscopes
FLEX-A-TOP FT-38 CAS ESD Plastic Containers FT-38-CAS Used for storing spicules
Plastic Vial Bullseye Level McMaster Carr 2147A11 Used for leveling the stage
Analytical Balance Mettler Toledo MS105DU Used to mass calibration weights

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Bioinspired structural materials. Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).
  2. Meyers, M. A., McKittrick, J., Chen, P. Y. Structural biological materials: critical mechanics-materials connections. Science. 339 (6121), 773-779 (2013).
  3. Bodde, S. G., Meyers, M. A., McKittrick, J. Correlation of the mechanical and structural properties of cortical rachis keratin of rectrices of the Toco Toucan (Ramphastos toco). J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 4 (5), 723-732 (2011).
  4. Gibson, L. J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. J. R. Soc. Interface. , (2012).
  5. Monn, M. A., Kesari, H. A new structure-property connection in the skeletal elements of the marine sponge Tethya aurantia that guards against buckling instability. Sci. Rep. 7, (2017).
  6. Monn, M. A., Weaver, J. C., Zhang, T., Aizenberg, J., Kesari, H. New functional insights into the internal architecture of the laminated anchor spicules of Euplectella aspergillum. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112 (16), 4976-4981 (2015).
  7. Monn, M. A., Kesari, H. Enhanced bending failure strain in biological glass fibers due to internal lamellar architecture. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. , In Press (2017).
  8. Levi, C., Barton, J. L., Guillemet, C., Bras, E., Lehuede, P. A remarkably strong natural glassy rod: the anchoring spicule of the Monorhaphis sponge. J. Mater. Sci. Letters. 8 (3), 337-339 (1989).
  9. Kesari, H., Doll, J. C., Pruitt, B. L., Cai, W., Lew, A. J. Role of surface roughness in hysteresis during adhesive elastic contact. Philos. Mag. Lett. 90 (12), 891-902 (2010).
  10. Croisier, F., et al. Mechanical testing of electrospun PCL fibers. Acta Biomater. 8 (1), 218-224 (2012).
  11. Haque, M. A., Saif, M. T. A review of MEMS-based microscale and nanoscale tensile and bending testing. Exp. Mech. 43 (3), 248-255 (2003).
  12. Gudlavalleti, S. Mechanical testing of solid materials at the micro-scale. , Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology (2002).
  13. Tohmyoh, H., Ishihara, M., Akanda, M. S., Yamaki, S., Watanabe, T., Iwabuchi, T. Accurate determination of the structural elasticity of human hair by a small-scale bending test. J. Biomech. 44 (16), 2833-2837 (2011).
  14. Waters, J. F. Contact mechanics of biologically-inspired interface geometries. , Doctoral dissertation, Brown University (2009).
  15. Dai, Z., Gorb, S. N., Schwarz, U. Roughness-dependent friction force of the tarsal claw system in the beetle Pachnoda marginata (Coleoptera, Scarabaeidae). J. Exp. Biol. 205 (16), 2479-2488 (2002).
  16. Tramacere, F., Kovalev, A., Kleinteich, T., Gorb, S. N., Mazzolai, B. Structure and mechanical properties of Octopus vulgaris suckers. J. R. Soc. Interface. 11 (91), (2014).
  17. Ehrlich, H., et al. Nanostructural organization of naturally occurring composites: Part I. Silica-Collagen-based biocomposites. J. Nanomater. 53, (2008).
  18. Ehrlich, H., et al. Mineralization of the meter-long biosilica structures of glass sponges is templated on hydroxylated collagen. Nat. Chem. 2, 1084-1088 (2010).
  19. Ehrlich, H., et al. First evidence of the presence of chitin in skeletons of marine sponges. Part II. Glass sponges (Hexactinellida: Porifera). J. Exp. Zoo. 308 (4), 473-483 (2007).
  20. Ehrlich, H. Chitin and collagen as universal and alternative templates in biomineralization. Int. Geol Rev. 52, 661-699 (2010).
  21. Ehrlich, H., et al. Supercontinuum generation in naturally occurring glass sponge spicules. Adv. Opt. Mater. 4 (10), 1608-1613 (2016).
  22. Ehrlich, H., et al. Calcite reinforced silica-silica joints in the biocomposite skeleton of deep-sea glass sponges. Adv. Funct. Mater. 21, 3473-3481 (2011).
  23. Werner, P., Blumtritt, H., Zlotnikov, I., Graff, A., Dauphin, Y., Fratzl, P. Electron microscope analyses of the bio-silica basal spicule from the Monorhaphis chuni sponge. J. Struct. Biol. 191 (2), 165-174 (2015).
  24. Kolednik, O., Predan, J., Fischer, F. D., Fratzl, P. Bioinspired Design Criteria for Damage-Resistant Materials with Periodically Varying Microstructure. Adv. Funct. Mater. 21 (19), 3634-3641 (2011).
  25. Weaver, J. C., et al. Unifying design strategies in demosponge and hexactinellid skeletal systems. J. Adhes. 86 (1), 72-95 (2010).
  26. Walter, S. L., Flinn, B. D., Mayer, G. Mechanisms of toughening of a natural rigid composite. Mater. Sci. Eng. C. 27 (3), 570-574 (2007).
  27. Ehrlich, H. Silica biomineralization in Sponges. Encyclopedia of Geobiology. , Springer Verlag. 796-808 (2011).
  28. Zlotnikov, I., Werner, P., Fratzl, P., Zolotoyabko, E. Eshelby Twist as a possible source of lattice rotation in a perfectly ordered protein/silica structure grown by a simple organism. Small. 11 (42), 5636-5641 (2015).
  29. Zlotnikov, I., et al. A perfectly periodic three-dimensional protein/silica mesoporous structure produced by an organism. Adv. Mater. 26 (11), 1682-1687 (2014).
  30. Gere, J. M., Timoshenko, S. P. Chapter 5: Stresses in Beams. Mechanics of materials. , 205-217 (1997).
  31. Baratta, F. I., Matthews, W. T., Quinn, G. D. Errors associated with flexure testing of brittle materials. , Army Lab Command Watertown MA Material Technology Lab. No. MTL-TR-87-35 (1987).
  32. Quinn, G. D., Sparenberg, B. T., Koshy, P., Ives, L. K., Jahanmir, S., Arola, D. D. Flexural strength of ceramic and glass rods. J. Test. Eval. 37 (3), 1-23 (2009).
  33. Tattersall, H. G., Tappin, G. The work of fracture and its measurement in metals, ceramics and other materials. J. Mater. Sci. 1 (3), 296-301 (1966).

Tags

Bioteknologi problemet 128 mekanisk karakterisering mekaniske egenskaper tre-punkts bøying test cantilever kraft-sensor fiber optikk forskyvning sensor strukturelle biologisk materiale biosilica fiber Euplectella aspergillum spicule
En Millimeter skala Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk Testing System for å måle mekaniske egenskaper for Marine svamp spiklene
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Monn, M. A., Ferreira, J., Yang, J., … More

Monn, M. A., Ferreira, J., Yang, J., Kesari, H. A Millimeter Scale Flexural Testing System for Measuring the Mechanical Properties of Marine Sponge Spicules. J. Vis. Exp. (128), e56571, doi:10.3791/56571 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter